Blood is a complex suspension of deformable particles, red blood cells, which exhibits a sophisticated dynamics when flowing in the microvasculature. Most of these complex phenomena, non-linear rheology, structuration of the suspension, heterogeneities of the hematocrit distribution, are directly connected to the rich microscopic dynamics of individual red blood cells, and their hydrodynamics interactions. We investigate a few aspects of the dynamics of red blood cells and giant vesicles - a simple model for RBCs. A study on the dynamics of very deflated vesicles, with shapes similar to those of red blood cells, shows that these objects which haven't received a lot of attention so far can exhibit richer than expected dynamics. We then mainly focus on the still unexplored problem of hydrodynamic interactions between vesicles or red blood cells and their consequences at the scale of the suspension. An experimental study of the interaction of two identical vesicles in shear flow shows that there is a net repulsion between the cells that leads to an increase of the distance between vesicles in a suspension. Scaling arguments are proposed for this interaction and a comparison with numerical results is performed and a quantitative estimation of a shear induced diffusion coefficient obtained by averaging the results for pair interactions is found. Finally, we investigate the diffusion of a cloud of red blood cells in Poiseuille flow in order to directly determine diffusion coefficients. The experiment shows that the cloud widens when traveling along the channel with a power law behaviour indicating sub-diffusion. This effect is confirmed by a theoretical analysis of a few limit cases. / Blood is a complex suspension of deformable particles, red blood cells, which exhibits a sophisticated dynamics when flowing in the microvasculature. Most of these complex phenomena, non-linear rheology, structuration of the suspension, heterogeneities of the hematocrit distribution, are directly connected to the rich microscopic dynamics of individual red blood cells, and their hydrodynamics interactions. We investigate a few aspects of the dynamics of red blood cells and giant vesicles - a simple model for RBCs. A study on the dynamics of very deflated vesicles, with shapes similar to those of red blood cells, shows that these objects which haven't received a lot of attention so far can exhibit richer than expected dynamics. We then mainly focus on the still unexplored problem of hydrodynamic interactions between vesicles or red blood cells and their consequences at the scale of the suspension. An experimental study of the interaction of two identical vesicles in shear flow shows that there is a net repulsion between the cells that leads to an increase of the distance between vesicles in a suspension. Scaling arguments are proposed for this interaction and a comparison with numerical results is performed and a quantitative estimation of a shear induced diffusion coefficient obtained by averaging the results for pair interactions is found. Finally, we investigate the diffusion of a cloud of red blood cells in Poiseuille flow in order to directly determine diffusion coefficients. The experiment shows that the cloud widens when traveling along the channel with a power law behaviour indicating sub-diffusion. This effect is confirmed by a theoretical analysis of a few limit cases.

L'objectif principal de cette thèse est consacré à l'étude de la dynamique et la rhéologie d'une suspension de particules denses qui se comportent comme des fluides complexes. La premier partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la déformation, le comportement dynamique et la rhéologie d'une suspension de vésicule (un modèle simple pour les globules rouges) sous l'action d'un écoulement externe appliqué (cisaillement simple et Poiseuille confiné) dans la limite de faible nombre de Reynolds. L'étude basée sur des simulations numériques en utilisant la méthode des intégrales de frontière. Cette étude est inspirée par le comportement des globules rouges dans le système microvasculaire. Notre étude est ensuite consacrée aux effets du confinement et du nombre capillaire sur la forme, le comportement dynamique et la viscosité effective d'une suspension de vésicules. Nous avons montré que pour des membranes rigides (nombre capillaire petit), on peut observer en plus de la forme parachute et pantoufle, les formes suivantes : (i) forme d'oscillation centrée, (ii) forme d'oscillation décentrée et (iii) la forme cacahuète. Egalement, nous avons examiné l'influence du contraste de viscosité sur la dynamique et la rhéologie d'une vésicule. Nous avons montré qu'il existe une phase de "coexistence" entre la forme pantoufle et la forme parachute. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons proposé un modèle analytique et une étude numérique pour étudier les propriétés dynamiques et rhéologiques d'une suspension de particules rigides sous écoulement de Poiseuille confiné. Le débit, la dissipation et la viscosité apparente sont étudiés en fonction de la structure des plaques dans le canal. Egalement, l'étude numérique d'une suspension de particules sphériques (formes des chaînes de particules) est en accord qualitatif avec le modèle analytique qui considère les longues plaques. Cette étude numérique est basée sur une méthode de la dynamique des particules du fluide, où les particules sont représentées par un champ scalaire ayant une viscosité élevée à l'intérieur. / The principal objective of this thesis is devoted to study the dynamics and rheology of a suspension of dense particles which behave as complex fluids. The first part of this thesis is dedicated to the study of the deformation, the dynamic behavior and rheology of a single neutrally buoyant suspended vesicle (a closed phospholipid membrane), as a response to external applied flows (simple shear and confined Poiseuille flows), is studied in the limit of small Reynolds. The study based on numerical simulations using the boundary integral method. This study is inspired by the behavior of red blood cells in the microvasculature. Our study is then dedicated on the effects of confinement and capillary number on the shape, the dynamic behavior and the effective viscosity of a vesicles suspension. We have shown that for rigid membranes (small capillary number) may be exist other shapes parachute and slipper, these shapes are : (i) Centered Snaking, (ii) Off-Centered Snaking and (iii) Peanut-shaped. Equally, we examined the influence of viscosity contrast on the dynamics and rheology of a vesicle. We have shown that there is a phase of "coexistence" between the slipper and parachute shape. The coexistence of shapes seems to be supported by experiments, though a systematic experimental study is lacking. In the second part of this thesis, we proposed an analytical model and a numerical study for study the dynamics and rheology properties of a rigid particles suspended in a confined Poiseuille flow. The flow rate, the dissipation and the apparent viscosity are studied as a function of the underlying structure. Equally, the numerical study is in good qualitative agreement with the analytical theory considering long plates. The numerical study is based on a fluid dynamic particle method where the particles are represented by a scalar field having high viscosity inside.

Les travaux menés durant cette thèse ont abouti à la fabrication d'un microsystème fluidique de détection de gaz innovant portatif, bas coût et incluant un pompage thermique. Le microcapteur de gaz utilisé est inséré dans un microcanal. Un chauffage intégré permet au microcapteur de bien fonctionner. Il permet aussi la création du phénomène de thermal creep qui est à l'origine de l'écoulement du gaz à détecter le long du canal vers le microcapteur. Le gradient de température le long du canal et les dimensions sont des paramètres essentiels de l'étude.Des simulations microfluidiques et thermiques ont permis de définir les dimensions du microcanal ainsi que les matériaux les plus adéquats. Deux types de microsystèmes ont ensuite été réalisés. Le dispositif de chauffage intégré a été calibré afin d'étudier le gradient thermique réel. Une étude des performances du microcapteur sous ammoniac a été réalisée. Nous avons pu notamment déterminer la température optimale de détection. Puis des tests dans une cellule de détection ont été réalisés avec le microsystème complet. / My thesis work led to develop an innovative fluidic microsystem for gas detection. It is portable, cheap and has an integrated thermal pumping. The gas microsensor used is inserted into a microchannel. Its integrated heater allows the well detection. It also allows the creation of thermal creep phenomenon, which is at the origin of the gas flow along the channel which will be detected by the microsensor. The choices of both microchannel dimensions and the temperature gradient are the most important parameters. Thus, microfluidic and thermal simulations were performed to define the microchannel dimensions and the most suitable materials natures. Two microsystems were processed with clean room technologies. The integrated heater was calibrated to study the real thermal gradient. A study of the performance of the microsensor was performed under ammonia. We could include determining the optimal temperature sensing. Then the microsystem was studed using in a special detection cell.

Cette thèse porte sur l’étude de trois phénomènes interfaciaux reliés à l’eau : (i) la diffusion de protons dans un environnement complexe, (ii) la formation de gouttes et (iii) le déplacement d’huile sous l’effet du déplacement d’une phase aqueuse dans un circuit microfluidique poreux. Dans un premier temps, nous étudions une « quasi-interface », constituée de deux solutions complexes aqueuses de différents pH, telles qu’on les trouve dans les milieux cellulaires. La diffusion des protons ainsi que les dynamiques de réorientation des molécules d’eau sont examinés et nos résultats suggèrent que le transport des protons serait médié par des molécules tampons. La deuxième partie de cette thèse porte sur la rupture de gouttes à l’interface liquide/air. La rupture de gouttes de fluides non-visqueux est un phénomène extrêmement riche et sa description théorique constitue un des cas les plus simples des singularités à temps fini. Dans le chapitre 4 on met en évidence par l’imagerie ultrarapide que l’eau possède une tension de surface dynamique à l’échelle de la milliseconde. Dans le chapitre 5, on s’intéresse à la dynamique de rupture de métaux en évaluant si des mesures électriques permettent de se rapprocher temporellement (et spatialement) au plus près de la rupture (ns). Dans la dernière partie (chapitre 6), on revisite le problème classique du déplacement d’huile avec de l’eau, rencontré dans les techniques de récupération assistée du pétrole (RAP). On s’intéresse au rôle de la topologie de surface de la roche poreuse sur le piégeage de gouttes d’huile et dégage une loi d’échelle générale liant les effets de la rugosité au déplacement du fluide au sein du canal. / Water is the most abundant molecule on earth, indispensable for a plethora of chemical reactions and vital to the functioning of most living organisms. Interfacial water is particularly interesting to study as its physicochemical properties deviate significantly from the bulk whilst being of crucial importance to both fundamental research and industrial process design. In this thesis we study the interfacial water dynamics of three highly relevant phenomena by primarily recurring on microfluidics and ultrarapid imaging approaches. The first part focusses on proton diffusion in complex aqueous environments such as the the cytoplasm which remains a central issue in the biowater controversy. We evaluate and discuss the relevance of different proton diffusion mechanisms in cellular mimic solutions. The second part of this thesis is centred around droplet formation dynamics which are not only omnipresent in nature and technology, but also constitute a very rich phenomenon involving finite time singularities. We evaluate the outstanding pinch-off behaviour of water and aqueous solutions at the water/air interface that significantly deviates from other comparable non-viscous liquids on the millisecond time scale. In the last part we study a three phase system consisting of water and oil embedded in different ‘rough’ microstructures. Surface topology is identified as important determinant for the relative wettability behaviour of oil and water which constitutes a key finding for the development of efficient and environmentally compatible enhanced oil recovery strategies.

Ce travail porte sur le développement de nouvelles méthodes de mesure permettant la caractérisation de réactions chimiques très exothermiques dans des conditions de sécurité. Pour cela, nous souhaitons combiner l’analyse thermique des réactions et la technologie microfluidique. L’utilisation de la microfluidique rend possible l’utilisation de très faibles volumes réactionnels limitant ainsi tout risque lié à la dangerosité des réactions explosives. Le premier appareil développé est un microcalorimètre qui mesure le flux de chaleur global dégagé lors d’un écoulement co-courant ou gouttes. Plusieurs paramètres peuvent être déterminés : enthalpie de mélange et de réaction, concentration par dosage calorimétrique et cinétique. Le deuxième dispositif consiste à mesurer le champ de température du milliréacteur isopéribolique à l’aide d’une caméra InfraRouge et ainsi de suivre localement l’évolution de la réaction pour déterminer les paramètres thermocinétiques. / This work deals with the development of new measurement methods in order to characterize high exothermic chemical reactions in safe conditions. Thus, we combine thermal analysis with microfluidic technology. The use of microfluidics allows to manipulate a very small amount of product safely. First, we have developed a microcalorimeter to measure the global heat flux produced in co-flow or droplet-flow configurations. Several parameters can be determined: reaction and mixing enthalpy, concentrations by calorimetric titration and kinetics. The second method uses an InfraRed camera to measure the temperature field of the isoperibolic millireactor. Then, the local evolution of the reaction is estimated by thermal processing. From such inverse methods, the thermokinetic parameters can be determined.

Cette thèse concerne l'étude des propriétés de migration et de détachement de lignées cancéreuses du cancer du sein de type mésenchyme, très métastatique et invasif (MDA-MB-231), ou au contraire de type épithélial et peu invasif (MCF-7). Des techniques de vidéomicroscopie et d'analyse d'images automatisées ont été utilisées afin de tirer des informations sur la dynamique cellulaire sur de grandes populations. Nos expériences sur la migration aléatoire des cellules MDA-MB-231 montrent que les propriétés de déplacement de celles-ci sont liées à la fois à la composition de leur milieu environnant, mais aussi à la nature et la quantité de protéines d'adhésion. Nous avons notamment mis en évidence un comportement biphasique de la distance migrée au cours du temps en fonction de la densité de protéines adsorbées sur des surfaces pour deux types de protéines d'adhésion (collagène type IV et fibronectine). Selon le type de protéines d'adhésion, nous avons également mis en évidence un phénotype cellulaire très différent en termes de forme, d'adhésion et de mode de déplacement. Nous avons ensuite utilisé ces résultats pour mettre en place un protocole de migration dirigée de cellules cancéreuses dans un gradient chimiotactique généré par un système microfluidique. Ainsi, en faisant varier les paramètres du système (protéines de surface, concentration maximale en chimioattractants, …), nous avons pu caractériser les bonnes conditions d'obtention de la migration dirigée. Pour finir, nous avons montré la faisabilité d'un tri cellulaire entre cellules de type mésenchyme et épithéliales en utilisant la chimiotaxie à partir de ces systèmes / This thesis investigates migration and detachement properties of different types of breast cancer cell lines : metastatic, invasive MDA-MB-231 and epithelial, low-invasive MCF-7 celles. Videomicroscopy and image analysis techniques were used to obtain dynamic information for large cell populations. Random migration assays performed on MDA-MB-231 cells reveal that their migration properties are related to both medium and surface (substrate adhesion protein type and quantity) conditions. A biphasic behavior for the migrated distance through time was observed to be dependent on the density of adsorbed protein (collagen type IV or fibronectin) on the substrate. Cell shape, detachement and moving properties were also computed as a function of the surface protein characteristics. These results were then used to perform directed migration assays in a chemotactic gradient generated in a microfluidic chamber. Optimal conditions for directed migration of cells were determined by varying the parameters of the system such as gradient maximum concentration, substrate adhesion protein… Lastly, it was experimentally proved that it is possible to separate cancer epithelial cell lines from mesenchymal ones by using chemotactic microfluidic chambers

Les piles à combustible sans membrane polymérique comme les piles à combustible microfluidique ont des perspectives très intéressantes pour des applications énergétiques à basse puissance. L'étude menée consistait donc à poursuivre le développement de catalyseurs cathodiques nanométriques pouvant être utilisés en tant que cathode dans une pile à combustible microfluidique directe. Au cours de ce travail de thèse, une modification du comportement catalytique du platine a été réalisée grâce à un effet de support, d'alliage avec un métal de transition 3d (titane), ou bien encore par coordination de la surface de nanoparticules de platine avec un élément chalcogène (sélénium). Les effets induits par ces modifications sur les propriétés électroniques du matériau catalytique, et leurs implications sur son activité catalytique ont été étudiés au même titre que sa stabilité et sa tolérance vis-à-vis de petites molécules organiques. Les études ont été menées dans le but de présenter un nouveau paradigme des relations structure-activité, structure-stabilité et structure-tolérance gouvernant le comportement catalytique d'une surface de platine. Les expériences ont par voie de conséquence été conduites de façon à pouvoir séparer les effets catalytiques induits par le support, de ceux induits par un effet d'alliage ou bien encore par coordination des atomes de surface avec un élément chalcogène. En conclusion, ces études ont démontrés l'effet de l'interaction du métal avec le support (oxyde ou matériau carboné présentant divers degrés de graphitisation) sur l'activité et la stabilité des catalyseurs. Un autre point important, qui a été développé dans ce travail de thèse, est la modif / Fuel cells without polymeric membrane such as the microfluidic fuel cells (MFFC) possess very interesting perspectives for low-power energy applications. The study aimed at pursuing the development of nanometric cathodic catalysts and to study their activity, stability and tolerance in a microfluidic system. In the present thesis, the activity, stability and tolerance of Pt-based nanoparticle electrocatalysts were investigated. The effect of the support materials and the influence of surface modification by a second element including 3d transition metal (titanium) and chalcogenide (selenium) were studied. The separation and reduction of the complexity of the interaction between nanoparticles-support and nanoparticles modification by a second element enables to achieve a clear relationship of the structure-activity-stability-tolerance of the supported fuel-cell electrocatalysts. The present experimental results from the effects of the support materials and of the modification of Pt by a second element led to improve activity, stability and tolerance. The developed approach and acquired knowledge about surface property correlation can be further generalized and used in the design of advanced selective electrocatalysts. Furthermore, the synthesized electrocatalysts were used as cathode in an organic microfluidic fuel cell.

Nous présentons dans cette thèse une adaptation de la technique de vélocimétrie par marquage moléculaire (MTV) aux micro-écoulements gazeux. Les effets de luminescence de l’acétone gazeuse excitée par un rayonnement UV, mis en jeu dans la MTV, ont été analysés en vue d’une application en vélocimétrie à basse pression. La phosphorescence de l’acétone diminue fortement avec la pression, pour devenir non détectable à des pressions de l’ordre du kPa. En revanche, la fluorescence reste détectable à des pressions de l’ordre de la dizaine de Pa. L’analyse des déplacements de molécules luminescentes au sein de l’écoulement porteur a montré que les effets de la diffusion moléculaire sont importants et augmentent avec la raréfaction du gaz. Une méthode de reconstruction, basée sur l’équation d’advection diffusion, a été développée. Elle permet d’extraire le profil de vitesse à partir de l’analyse du déplacement et de la déformation de la zone marquée, en prenant en compte la diffusion des molécules luminescentes. L’analyse d’un écoulement de Poiseuille dans un canal de section rectangulaire et de dimensions millimétriques, sous des pressions de l’ordre de 100 kPa, a montré la capacité de la MTV à extraire avec précision la vitesse locale en écoulements confinés, lorsque la méthode de reconstruction est appliquée. Une feuille de route pour l’analyse future par MTV des écoulements raréfiés, notamment dans le régime glissant, est finalement proposée. / In the present thesis we present an adaptation of Molecular Tagging Velocimetry (MTV) to gas microflows. The photo-luminescence effects of gaseous acetone excited by UV light, implemented in MTV, have been analyzed in various pressure conditions. The acetone phosphorescence shows a drastic decrease with pressure and becomes non measurable for pressures lower than 1 kPa. On the other hand, fluorescence shows a slower decrease and remains clearly detectible at pressures as low as 10 Pa. The motion of tracer molecules within the carrier flow has been studied. The analysis of the displacement of the tagged molecules has shown the strong influence of molecular diffusion, this influence being increased with the gas rarefaction. A reconstruction method based on the advection-diffusion equation has been developed. It allows to extract the velocity profile from the analysis of the displacement and deformation of the tagged region, taking into account the diffusion of tracer molecules. This reconstruction method has been successfully implemented to analyse a Poiseuille flow in a rectangular millimetric channel, under atmospheric pressure conditions, and the capability of MTV to accurately extract the local velocity in confined gas flows has been demonstrated. Finally, some short term perspectives have been proposed with the aim to help achieving rarefied flows analysis by MTV.

Ce travail consiste à apporter une approche différente basée sur la physique pour l'étude des maladies respiratoires.La première partie de cette étude concerne la dynamique mucociliaire avec une application à l'asthme sévère et la BPCO. Nous avons décrit les mécanismes physiques du transport de mucus basés sur l'analyse détaillée de l'activité ciliaire sur un épithélium reconstitué in vitro à partir de biopsies endo-bronchiques humaines. Nous avons montré que la distance à laquelle le mucus ou le fluide newtonien pouvaient être transportés dépendait directement du taux de couverture de l'épithélium par les touffes de cils actives. Nous avons ensuite mis en avant le rôle majeur du mucus viscoélastique sur la coordination de la direction des battements ciliaires pour un transport macroscopique. La fréquence de battement des cils joue sur la vitesse du transport du fluide. Enfin, nous avons montré que l'altération de la clairance observée dans l'asthme sévère et la BPCO est due au manque drastique de cils, tandis que les propriétés rhéologiques du mucus restent inchangées dans notre modèle.La deuxième partie traite de la migration cellulaire dans un environnement biomimétique 3D. Nous avons mis au point un microdispositif pour la caractérisation de la migration des cellules par chimiotaxie. Nous avons validé le modèle en utilisant des cellules immunitaires soumises à des gradients de substances chimio-attractantes et un premier test du rôle inflammatoire a été effectué. / This work consists to bring a different approach based on physics to study the respiratory diseases.First, study of mucociliary dynamics with an application on severe asthma and COPD was investigated. We have described the physical mechanisms of mucus transport based on the detailed analysis of ciliary activity on an in vitro reconstituted epithelium obtained from human endo-bronchial biopsies. We have shown that the distance at which mucus or Newtonian fluid could be transported is directly dependent on the epithelium coverage rate by the active cilia tufts. Then, we raised the important role of the viscoelastic mucus on the coordination of the ciliary beat direction for a macroscopic transport. The cilia beat frequency plays on transport fluid velocity. Finally, we have shown that altered clearance observed in severe asthma and COPD is due to the drastic lack of cilia, while the rheological properties of mucus remains unchanged in our model.The second part of this work was to look at cell migration in a bio-mimetic 3D environment. We have developed a micro-device for characterization of cell migration by chemotaxis. We validated the model using immune cells under a chemo-attractant substances gradients and a first test of inflammatory role has been completed.

L’extraction de matières premières du sol à des fins énergétiques (récupération assistée d’huile) et environnementales (dépollution des sols) fait l’objet de recherches intensives en lien avec des thématiques telles que la séquestration du carbone ou la fracturation hydraulique. L’objectif est de trouver des méthodes moins destructives, moins gourmandes en matériel et en énergie, mais aussi plus efficaces et moins coûteuses. Nous proposons d’étudier une méthode alternative aux moyens conventionnels avec l’utilisation de mousses aqueuses comme agent extracteur d’huile. Les mousses aqueuses sont souvent utilisées en présence d'huile : dans des applications quotidiennes comme la cosmétique et la détergence, mais aussi dans des domaines moins connus comme la décontamination des centrales nucléaires ou l’industrie pétrolière. Ainsi, des tensioactifs et du gaz sont couramment injectés dans le sol afin d'améliorer les procédés de récupération de pétrole. Nous explicitons deux mécanismes d'extraction que nous quantifions en termes d'efficacité et de stabilité. Tout d'abord, la mousse peut aspirer de l'huile en son sein, comme le ferait une éponge. Ensuite, lorsque celle-ci est mise en écoulement, elle peut entraîner de l'huile confinée dans la rugosité d'une surface par cisaillement. Notre étude s’appuie en particulier sur une analyse théorique et expérimentale, à la fois multi-échelle, statique et dynamique pour laquelle nous avons systématiquement fait varier les paramètres géométriques (configuration de l'huile, taille des bulles et fraction volumique de liquide dans la mousse) et physico-chimiques (tensions interfaciales, rigidité des interfaces entre bulles et viscosité) / The extraction of raw materials from the soil for energetical (enhanced oil recovery) and environmental purposes (soil remediation) is the subject of intense fundamental and applied research. This field is related to other important topics, such as carbon sequestration and hydraulic fracturing. The goal is to find fewer destructive, as well as energy and material-saving methods. These techniques should also be cost-effective and more efficient. To find a substitution to conventional means, we study an alternative method that puts aqueous foams on the map as the extraction material. Aqueous foams are often used in numerous daily applications, such as cosmetics and detergency, but also in less known fields, such as the decommissioning of nuclear power plants and the oil industry. Thus, surfactants and gas are commonly injected into the soil to improve the recovery processes of oil. We explain two extraction mechanisms that we quantify in terms of efficiency and stability. On one hand, the foam is able to absorb oil, similarly to a solid sponge. On the other hand, when a flow of foam is induced, the foam can entrain oil confined in the roughness of a surface by shearing the oil-water interface. Our work especially lies on a theoretical and experimental analysis, which is multiscale, static and dynamic. We systematically vary the geometrical parameters (oil configuration, bubble size and liquid fraction in the foam) and the physical and chemical parameters (interfacial tensions, interfacial rigidity and viscosity)